Astrofizika aklavietėje: arba Paukščių Takas jau patyrė neįmanomą susidūrimą, arba reikia keisti visą gravitacijos koncepciją

Paukščių Tako dienos jau suskaitytos ir bus pažymėtos fejerverkais. Po maždaug 4 milijardų metų naktinį dangų nušvies šimtai milijardų žvaigždžių, kai užslinks gretima Andromedos galaktika. Dvi dangaus milžinės taps viena ir titaniškos gravitacijos jėgos į tarpgalaktinę erdvę svaidys žvaigždes, planetas bei dujų debesis. Išlikusios žvaigždės ir planetos susirinks į sujauktą debesį naujų žvaigždžių – skriejančių tolyn į ateitį ne Paukščių Take, ne Andromedoje, bet gigantiškoje „Paukšdromedos“ galaktikoje.

Toks yra gerai nustatytas mūsų galaktikos kataklizminės ateities paveikslas. Kas ne taip vienareikšmiška – tai gali būti ir mūsų praeities vaizdas.

Stebėjimai rodo, kad šalia Galaktikos skrieja buvusio dviejų gigantų susitikimo liekanos. Negalimi palydovinių galaktikų išsirikiavimai, kamuoliniai spiečiai ir iš Galaktikos nutįsę žvaigždžių srautai rodo, kad mūsų lokalią kosminę istoriją reikia perrašyti. Ir ne tik: norint paaiškinti, ką rodo teleskopai, gali tekti permąstyti paslaptingiausią medžiagą, tamsiąją materiją, o kad jau taip, tai gal net ir visą gravitacijos koncepciją.

Kaip ir daugelis didelių problemų, šioji prasidėjo nuo smulkmenos: keistos mažutėlaičių nykštukinių galaktikų, supančių Paukščių Taką, konfigūracijos. 2012 metais astronomas Marcel Pawlowski, tada dirbęs Bonos universitete Vokietijoje, pavadino tai „didele poline struktūra“. Toks pavadinimas kilo dėl nykštukių išsirikiavimo ratu, su Paukščių Tako pagrindine plokštuma – kurioje mūsų Saulė ir visa kita – sudarančiu statų kampą.

Bet jis toli gražu nebuvo pirmasis, tai pastebėjęs. Ši garbė tenka Donaldui Lyndon-Bellui iš Kembridžo universiteto, kuris 1976 metais parodė, kad Paukščių Taką supančios palydovinės galaktikos nėra išsibarsčiusios kaip pakliuvo, bet panašu, lyg jas kas būtų taip išdėliojęs. „Jie manė, kad tai gali būti didesnės galaktikos atplaiša, sudaranti savotišką nuolaužų srautą,“ sako Pawlowskis, „Tuomet vyko atvira diskusija, bet netrukus tema prarado populiarumą.“

„Šis išsirikiavimas yra tiksliai toks, kokio būtų galima tikėtis, jei dvi galaktikos anksčiau būtų sąveikavusios.”

Tema prarado populiarumą dėl tamsiosios materijos iškilimo. Tamsioji materija aštuntajame dešimtmetyje tapo glaistu, užtaisiusiu žiojintį neatitikimą tarp standartinių kosmologinių modelių, besiremiančių Niutono ir Einšteino gravitacijos paveikslu, bei realybės stebėjimų. Kai astronomai išmatavo tolimų galaktikų sukimąsi, paaiškėjo, kad šie dangaus kūnai sukasi taip greitai, kad jei galaktikų struktūrą laikytų tik regimosios materijos gravitacija, jos turėtų išsitaškyti į šalis. Tokį nutrūktgalvišką sukimąsi būtų galima paaiškinti, jei galaktikose būtų daugiau materijos, nei matome – jei didžioji jų materijos dalis būtų sudaryta ne iš įprastų atomų, bet iš dalelių, nesąveikaujančių su šviesa, taigi, neregimų.

Tamsioji materija atitiko tarp fizikų, tyrinėjusių visatos siautulinguosius pirmuosius metus, – iki žvaigždžių ir galaktikų susiformavimo – sklandžiusias idėjas. Šiame liepsnojančiame pasaulyje radosi naujos dalelės, pernešančios sąveiką ir energiją. Visatai plečiantis ir vėstant, šios dalelės prarastų savo galią ir taptų inertiška, nematoma sriuba.

Globėjiškieji halai

Niekas niekada nėra aptikęs ar sukūręs nė vienos tamsiosios materijos dalelės, tačiau jos populiarumas vis augo. Dabartiniame standartiniame kosmologiniame modelyje jos yra penkis kartus daugiau, nei įprastos materijos. Tokie tamsiosios materijos kiekiai ne tik paaiškina galaktikų sukimąsi, bet, panašu, nulemia tokių galaktikų, kaip Paukščių Takas, formavimąsi. Dėl mažų tamsiosios materijos pradinio tankio netolygumų, veikiant vien gravitacijai, susiformavo jos sankaupos. Jos traukė įprastą materiją, kuri sudarė plokščius besisukančius materijos diskus – galaktikas.

Tokio proceso simuliacijos idealiai atkuria regimas galaktikų formas. Karštos ir šaltos kosminio mikrobangų fono, – šviesos, pasklidusios kosmose, kai šiam tebuvo 380 000 metų – dėmės interpretuojamos, kaip šio proceso sėklos. Tad, manoma, kad dabar galaktikas supa jaukus tamsiosios materijos „halas“, kuriantis gravitaciją ir laikantis viską krūvoje.

Tos pačios simuliacijos rodo, kaip tamsiajai materijai formuojant galaktikos halą, jos dalys fragmentuojasi, suskyla, įkalina krentančią normalią materiją ir suformuoja tuntą nykštukinių galaktikų, netvarkingai išsibarsčiusių apie didesnę pagrindinę galaktiką. Tuo tarpu Paukščių Tako nykštukinės galaktikos anaiptol nėra išsibarsčiusios netvarkingai. Problema.

Dėl triuškinančios tamsiosios materijos modelio sėkmės daugelis astronomų į šį nediduką nepatogumą buvo linkę žvelgti pro pirštus: gal paprasčiausiai dar nematėme visų Paukščių Tako palydovinių galaktikų. Bet 2005 metais Pavel Kroupa, taip pat iš Bonno universiteto, iš naujo išanalizavęs palydovinių galaktikų duomenis, patvirtino stulbinamą neatitikimą su tamsiosios materijos teorija.

Pawlowskis, Kroupa'o doktorantas, ėjo dar toliau. Jis tyrinėjo išsidėstymą kitų Paukščių Tako hale esančių objektų – daug mažesnių už nykštukines galaktikas sferinių žvaigždžių grupių, vadinamų kamuolinių spiečių ir ilgų plonų žvaigždžių gijų, manoma, susiformavusias iš yrančių nykštukinių galaktikų.

Siekdamas tai paaiškinti, Pawlowskis prisiminė Lyndon-Bello idėją, kad tai gali būti galaktikų susidūrimo liekanos ir pažiūrėjo, kokios būtų tokio susidūrimo pasekmės. Jis tyrė, ar nykštukinės galaktikos išties galėjo susiformuoti iš dviejų galaktikų susidūrimo liekanų. Astronomai visatoje mato ne vieną tokį galaktinį šokį, iš kurio driekiasi didžiulės žvaigždžių ir dujų uodegos. Pawlowskio simuliacijos patvirtino, kad Paukščių Tako nykštukinės galaktikos iš tiesų galėjo susiformuoti po tokio susidūrimo. Bet kas buvo to šokio partneris?

Akivaizdaus kandidato nebuvo iki 2013 m., kai Rodrigo Ibata iš Strasbourgo observatorijos Prancūzijoje su kolegomis publikavo stebėjimus, rodančius, kad panaši polinė nykštukinių galaktikų struktūra supa ir Andromedą, artimiausią mūsų galaktinę kaimynę už 2,5 milijonų šviesmečių. Virš Andromedos plokštumos esančios nykštukinės galaktikos juda tolyn nuo mūsų, tuo tarpu esančios po plokštumą – artėja. Tai įtikimas įrodymas, kad diskas nėra atsitiktinis darinys, o vientisa, besisukanti struktūra. Andromedos palydovų diskas sukasi taip pat, kaip ir mūsiškis, bei rodo į Paukščių Taką, nors ir su nedideliu 35 laipsnių nuokrypiu nuo mūsų galaktikos polinės struktūros. Būtent to galima tikėtis, jei dvi galaktikos praeityje sąveikavo.

Išskyrus smulkmeną – to padaryti jos negalėjo. Netgi įskaičiuojant numanomus tamsiosios materijos halus, Andromedos ir Paukščių Tako masės, tad ir tarpusavio traukos, nepakanka, kad jos būtų spėjusios susidurti per laiką, praėjusį nuo Didžiojo sprogimo.

Taigi, patas. Nebent, aišku, ko nors nežinome apie gravitaciją. Niutono ir Einšteino teorijose daroma prielaida, kad gravitacija yra jėga, kurios stiprumas atvirkščiai proporcingas atstumo tarp dviejų masyvių objektų kvadratui. Tai tikrai tinka mūsų planetų sistemų masteliu – kūnų, esančių taip toli, kaip Plutonas, orbitos lūkesčius atitinka. Tačiau tai yra prielaida, kurios patikrinti didesniu masteliu niekada negalėjome.